一種集成門極換流晶閘管芯片的雙門極接觸環(huán)陰極面結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于電力半導(dǎo)體的集成門極換流晶閘管的芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]集成門極換流晶閘管(IGCTintegrated Gate Commutated Thyristor)是一種用于大容量電力電子裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件，它最先是由瑞士 ABB公司開(kāi)發(fā)并成功投入市場(chǎng)。它的應(yīng)用使得變流裝置在功率、效率、成本、重量和體積等方面都取得了巨大的進(jìn)展，給電力電子技術(shù)帶來(lái)了新的飛躍。
[0003]集成門極換流晶閘管是將門極可關(guān)斷晶閘管(GTO:Gate Turn-off Thyristor)芯片與反并聯(lián)的二極管和門極驅(qū)動(dòng)MOSFET集成在一起，再與門極驅(qū)動(dòng)在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的關(guān)斷能力和晶閘管低導(dǎo)通損耗等優(yōu)點(diǎn)。IGCT集成了多個(gè)門極換流晶閘管(GCT:Gate Commutated Thyristor)單元，GCT的基本結(jié)構(gòu)同GTO類似，為PNPN結(jié)構(gòu)，是由眾多元胞并聯(lián)而成，每一個(gè)元胞從陽(yáng)極到陰極都包含P+發(fā)射極、η+緩沖層、η基區(qū)、P基區(qū)、η+發(fā)射極區(qū)域。其中3個(gè)PN結(jié)，從陽(yáng)極到陰極順序?yàn)?Ρ+Ν的Jl結(jié)，NP的J2結(jié)以及PN+的J3結(jié)。其中，半導(dǎo)體中P型摻雜區(qū)和N型摻雜區(qū)的邊界線稱PN結(jié)，如圖1所示。GCT導(dǎo)通和關(guān)斷如圖2所示，正常導(dǎo)通時(shí)，門陰極正偏，電流Iak自陽(yáng)極流入，陰極流出，如圖2(a)所示。關(guān)斷時(shí)，如圖2(b)所示，關(guān)斷過(guò)程主要分為三個(gè)階段:
[0004]a)基區(qū)存儲(chǔ)電荷抽取
[0005]在導(dǎo)通時(shí)，位于Jl結(jié)合J3結(jié)之間的N基區(qū)和P基區(qū)處于大注入狀態(tài)。所謂大注入狀態(tài)即為由陽(yáng)極和陰極高摻雜濃度區(qū)的空穴、電子注入到P基區(qū)和N基區(qū)，注入濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P基區(qū)和N基區(qū)的摻雜濃度。P基區(qū)的摻雜濃度一般在1016/cm3左右，注入后電子濃度超過(guò)1017。關(guān)斷時(shí)，陰極電流為純電子電流，當(dāng)P基區(qū)少子(即電子)。P基區(qū)少子全部抽取的時(shí)間定義為存儲(chǔ)時(shí)間。
[0006]b)電壓上升
[0007]P基區(qū)電子被抽取干凈后，J2結(jié)建立起耗盡層，即從J2結(jié)開(kāi)始，N基區(qū)的少子被消耗，J2結(jié)建立起的耗盡層逐漸變寬至耗盡層電壓等于外界電壓，耗盡層中是強(qiáng)電場(chǎng)分布。
[0008]c)電流降低過(guò)程
[0009]在電壓建立起來(lái)后，門極電流中斷，相當(dāng)于PNP晶體管突然失去了驅(qū)動(dòng)電流，電流會(huì)突然跌落，跌落的幅度約為陽(yáng)極電流的80%。由于N基區(qū)的少子還沒(méi)有被驅(qū)逐結(jié)束，需要通過(guò)復(fù)合和擴(kuò)散出Jl結(jié)減少，即剩下的20%電流為一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的拖尾電流。
[0010]IGCT的開(kāi)斷第一階段，電流從陰極轉(zhuǎn)換到門極，最主要的問(wèn)題是需要在耗盡層形成前完成電流的轉(zhuǎn)換，否存儲(chǔ)電荷抽取最慢的地方將成為電流密集集中地，由于熱效應(yīng)和電阻的負(fù)溫度特性，會(huì)導(dǎo)致局部電流越來(lái)越集中最后導(dǎo)致?lián)舸┒P(guān)斷失敗。
[0011]已有的典型的直徑4英寸IGCT芯片的陰極面層結(jié)構(gòu)如圖3所示，由多個(gè)同心的陰極環(huán)31、一個(gè)同心的門極接觸環(huán)32和多個(gè)陰極梳條33構(gòu)成；一個(gè)個(gè)梳條33沿徑向排列在每個(gè)陰極環(huán)31的部分區(qū)域中，，形成一個(gè)扇形區(qū)域。陰極環(huán)31的數(shù)量和寬度根據(jù)實(shí)際芯片尺寸確定，數(shù)值上不是嚴(yán)格的。圖3中在第5陰極環(huán)與第6陰極環(huán)之間有一個(gè)門極接觸環(huán)33 ;陰極環(huán)的其他非梳條部分是經(jīng)過(guò)濺射得到的金屬層，金屬層直接同門極接觸環(huán)接觸。已有的IGCT封裝由金屬分別接觸門極接觸環(huán)和陰極環(huán)。進(jìn)行關(guān)斷操作時(shí)，電流從陰極梳條處轉(zhuǎn)移至門極接觸環(huán)。由于門極接觸環(huán)位于第5到第6陰極環(huán)之間，因此所有陰極梳條的電流都要通過(guò)金屬層匯聚到門極接觸環(huán)。
[0012]圖3所示的IGCT芯片結(jié)構(gòu)由于幾何尺寸較大，因此造成了不均衡的感抗分布。即換流時(shí)，距離門極接觸較遠(yuǎn)的元胞換流回路有較大的感抗，如第10環(huán)。由于第10環(huán)的梳條數(shù)量較多，有效面積最大，其導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流總量最大。因此，在關(guān)斷操作時(shí)，第10環(huán)的陰極電流轉(zhuǎn)換到門極接觸環(huán)需要的時(shí)間最長(zhǎng)。在開(kāi)斷大電流時(shí)，由于電流密度大，因此存儲(chǔ)電荷數(shù)量多，外側(cè)環(huán)的存儲(chǔ)電荷沒(méi)有抽取干凈時(shí)，在內(nèi)環(huán)處的IGCT即容易產(chǎn)生耗盡層開(kāi)始關(guān)斷，于是電流都集中到了外側(cè)環(huán)，導(dǎo)致外側(cè)環(huán)的元胞電流密度過(guò)大。因此實(shí)際應(yīng)用中，IGCT的損壞位置基本都是發(fā)生在外側(cè)陰極環(huán)。
[0013]由于不均衡電感分布導(dǎo)致的換流不均衡，在IGCT芯片直徑達(dá)到4英寸及以上時(shí)，尤為明顯，嚴(yán)重影響直徑在4英寸以上IGCT器件的可關(guān)斷最大電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種新的IGCT芯片的雙門極接觸環(huán)有極面層結(jié)構(gòu)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)采用雙門極接觸環(huán)，并增加了沿徑向的門極接觸。本發(fā)明能克服已有的由于電感分布不均衡導(dǎo)致的換流不均衡的問(wèn)題。
[0015]本發(fā)明提出的IGCT芯片的雙門極接觸環(huán)陰極面層結(jié)構(gòu)包括多個(gè)同心的陰極環(huán)，一個(gè)同心門極接觸環(huán)及多個(gè)陰極梳條，多個(gè)陰極梳條沿徑向排列在每個(gè)陰極環(huán)的部分區(qū)域中，形成一個(gè)扇形區(qū)域；其特征在于，還包括第二個(gè)同心的門極接觸環(huán)、I個(gè)或I個(gè)以上的徑向門極接觸條；其中第一個(gè)門極接觸環(huán)位于內(nèi)側(cè)的陰極環(huán)之間，另一個(gè)門極接觸環(huán)位于外側(cè)的陰極環(huán)間或者位于最外環(huán)；二個(gè)門極接觸環(huán)之間通過(guò)徑向的門極接觸條相連。
[0016]本發(fā)明提出的IGCT芯片陰極面結(jié)構(gòu)，不改變單個(gè)元胞結(jié)構(gòu)。所述元胞結(jié)構(gòu)包括:P+發(fā)射極、η+緩沖層、η型基區(qū)、P型基區(qū)、η+發(fā)射極。所述陰極、門極和陽(yáng)極，均通過(guò)金屬電極同外在的驅(qū)動(dòng)電路相連接。所述陰極金屬電極設(shè)置在所述η+發(fā)射區(qū)外表面，所述門極金屬電極設(shè)置在η+發(fā)射區(qū)以外的P基區(qū)表面，所述陽(yáng)極金屬電極設(shè)置在P+發(fā)射極表面。
[0017]所述換流過(guò)程，首先由陰極轉(zhuǎn)移至門極金屬電極，再由門極金屬電極匯聚至門極接觸，門極接觸通過(guò)金屬電極與驅(qū)動(dòng)電路相連。所述改進(jìn)結(jié)構(gòu)的IGCT，由于門極接觸結(jié)構(gòu)改變，芯片所對(duì)應(yīng)的外殼封裝也需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，以使得門極接觸通過(guò)金屬與驅(qū)動(dòng)電路相連，封裝需要保證門極接觸的與金屬電極接觸良好。
[0018]本發(fā)明提出的自然換流式混合直流斷路器模塊，其優(yōu)點(diǎn)是:
[0019]1、所述的雙門極接觸環(huán)的